JP4150466B2 - 半導体封止用樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置ならびに半導体装置の製法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、難燃性、耐湿信頼性および流動性に優れた半導体封止用樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置ならびに半導体装置の製法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
トランジスタ,IC,LSI等の半導体素子は、従来セラミック等によって封止され半導体装置化されていたが、最近では、コスト,量産性の観点から、プラスチックを用いた樹脂封止型の半導体装置が主流になっている。この種の樹脂封止には、従来からエポキシ樹脂組成物が用いられており良好な成績を収めている。しかし、半導体分野の技術革新によって集積度の向上とともに素子サイズの大形化,配線の微細化が進み、パッケージも小形化,薄形化する傾向にあり、これに伴って封止材料に対してより以上の信頼性の向上が要望されている。
【0003】
一方、半導体装置等の電子部品は、難燃性の規格であるUL94 V−0に適合することが必要不可欠であり、従来から、半導体封止用樹脂組成物に難燃作用を付与する方法として、臭素化エポキシ樹脂および酸化アンチモンを添加する方法が一般的に行われている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記難燃化付与技術に関して2つの大きな問題があった。
【0005】
第1の問題点として、三酸化アンチモン自身の有害性,燃焼時に臭化水素,ブロム系ガス,臭素化アンチモン等の発生による人体への有害性や機器への腐食性が問題となっている。
【0006】
第2の問題点としては、上記難燃化付与技術を採用した半導体装置を高温で長時間放置すると、遊離した臭素の影響で半導体素子上のアルミニウム配線が腐食し、半導体装置の故障の原因となり高温信頼性の低下が問題となっている。
【0007】
上記の問題点を解決するために、難燃剤としてノンハロゲン−ノンアンチモン系である金属水酸化物を無機難燃剤として添加する方法が提案されている。しかしながら、この方法では大量の(例えば40重量%以上の)金属水酸化物を使用せねばならず、結果、新たな問題が生じることとなる。
【0008】
第1の問題点は、半田付け時に半導体装置の膨れや、クラックが発生しやすい点である。近年、半導体装置の実装方法として表面実装が主流になっており、半田付け時には半田浸漬、赤外リフロー、ベーパーフェイズリフロー等の半田処理方法が選択されて使用される。いずれの処理を採用しても、半導体装置が高温(通常215〜260℃)に曝されるため、従来の金属水酸化物が添加された樹脂組成物を用いた樹脂封止による半導体装置では、金属水酸化物の吸水量が多いため、吸湿した水分の急激な気化により半導体装置の膨れやクラックが発生するという、いわゆる、耐半田性の低下という問題が生じている。
【0009】
第2の問題点として、耐湿信頼性に関して80〜200℃、相対湿度70〜100%の高温高湿環境下での半導体素子機能が低下するという点である。また、発熱量の大きい半導体素子や自動車のエンジン周りに搭載する半導体装置等では、長期間の使用により脱水反応が生起するため、耐湿信頼性が低下するという問題が生じる可能性がある。
【0010】
このように、従来の難燃化技術では、上記のような問題が生じるため、燃焼時に有害ガスの発生のない、安全な材料であって、半導体装置の半田付け時において金属水酸化物の脱水による半導体装置の膨れやクラックを起こさず、長期間の高温高湿雰囲気下での放置によっても半導体素子上のアルミニウム配線の腐食や耐湿信頼性の低下の生起しない難燃化技術の開発が強く望まれている。そこで、本出願人は、熱硬化性樹脂および硬化剤とともに、金属水酸化物と金属酸化物、あるいはこれらの複合化金属水酸化物とを併用した半導体封止用熱硬化性樹脂組成物を提案し上記課題の解決を図った(特願平7−507466号公報)。この半導体封止用熱硬化性樹脂組成物を用いることにより確かに難燃性および耐湿信頼性の向上効果は得られたが、新たな問題が発生した。すなわち、近年の半導体パッケージは、より薄型化傾向にあるが、トランスファー成形等のパッケージ成形時において封止材料となる樹脂組成物の流動性が低下して金ワイヤーの変形が発生する等、成形性の著しい低下が問題となっている。
【0011】
本発明は、このような事情に鑑みなされたもので、安全性はもちろん、耐湿信頼性および難燃性に優れるとともに、成形性に優れた半導体封止用樹脂組成物およびそれを用いた半導体装置ならびに半導体装置の製法の提供を目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明は、下記の(イ)〜(ハ)成分を含有する半導体封止用樹脂組成物であって、下記(ハ)成分が下記に示す粒度分布(A)〜(C)を有し、下記(ハ)成分の含有量が樹脂組成物全体の1〜30重量%の範囲に設定されている半導体封止用樹脂組成物を第1の要旨とする。
(イ)熱硬化性樹脂。
(ロ)硬化剤。
(ハ)下記の一般式(1)で表される多面体形状の複合化金属水酸化物。
【化2】
m(Ma Ob )・n(Qd Oe )・cH2 O ・・・(1)
〔上記式(1)において、MとQは互いに異なる金属元素であり、Qは、周期律表のIVa,Va,VIa, VIIa,VIII,Ib,IIbから選ばれた族に属する金属元素である。また、m,n,a,b,c,d,eは正数であって、互いに同一の値であってもよいし、異なる値であってもよい。〕
(A)粒径1.3μm未満のものが10〜35重量%。
(B)粒径1.3〜2.0μm未満のものが50〜65重量%。
(C)粒径2.0μm以上のものが10〜30重量%。
【0013】
また、本発明は、上記半導体封止用樹脂組成物を用いて半導体素子を封止してなる半導体装置を第2の要旨とする。
【0014】
そして、本発明は、上記半導体封止用樹脂組成物を用いトランスファー成形法により半導体素子を樹脂封止して半導体装置を製造する半導体装置の製法、また上記半導体封止用樹脂組成物からなるシート状封止材料を用いて半導体装置を製造する半導体装置の製法を第3の要旨とする。
【0015】
なお、本発明の半導体封止用樹脂組成物における(ハ)成分の、多面体形状の複合化金属水酸化物とは、図2に示すような、六角板形状を有するもの、あるいは、鱗片状等のように、いわゆる厚みの薄い平板形状の結晶形状を有するものではなく、縦,横とともに厚み方向(c軸方向)への結晶成長が大きい、例えば、板状結晶のものが厚み方向(c軸方向)に結晶成長してより立体的かつ球状に近似させた粒状の結晶形状、例えば、略12面体,略8面体,略4面体等の形状を有する複合化金属水酸化物をいい、通常、これらの混合物である。もちろん、上記多面体形状は、結晶の成長のしかた以外にも、粉砕や摩砕等によっても多面体の形は変化し、より立体的かつ球状に近似させることが可能となる。この多面体形状の複合化金属水酸化物の結晶形状を表す走査型電子顕微鏡写真(倍率50000倍)の一例を図1に示す。このように、本発明では、上記多面体形状の複合化金属水酸化物を用いることにより、従来のような六角板形状を有するもの、あるいは、鱗片状等のように、平板形状の結晶形状を有するものに比べ、樹脂組成物の流動性の低下を抑制することができる。
【0016】
本発明の複合化金属水酸化物の形状について、略8面体形状のものを例にしてさらに詳細に説明する。すなわち、本発明の複合化金属水酸化物の一例である8面体形状のものは、平行な上下2面の基底面と外周6面の角錐面とからなり、上記角錐面が上向き傾斜面と下向き傾斜面とが交互に配設された8面体形状を呈している。
【0017】
より詳しく説明すると、従来の厚みの薄い平板形状の結晶形状を有するものは、例えば、結晶構造としては六方晶系であり、図3に示すように、ミラー・ブラベー指数において(0001)面で表される上下2面の基底面10と、{10−10}の型面に属する6面の角筒面11で外周が囲まれた六角柱状である。そして、〔001〕方向(c軸方向)への結晶成長が少ないため、薄い六角柱状を呈している。
【0018】
これに対し、本発明の複合化金属水酸化物は、図4に示すように、結晶成長時の晶癖制御により、(0001)面で表される上下2面の基底面12と、{10−11}の型面に属する6面の角錘面13で外周が囲まれている。そして、上記角錘面13は、(10−11)面等の上向き傾斜面13aと、(10−1−1)面等の下向き傾斜面13bとが交互に配設された特殊な晶癖を有する8面体形状を呈している。また、c軸方向への結晶成長も従来のものに比べて大きい。図4に示すものは、板状に近い形状であるが、さらにc軸方向への結晶成長が進み、晶癖が顕著に現れて等方的になったものを図5に示す。このように、本発明の複合化金属水酸化物は、正8面体に近い形状のものも含むのである。すなわち、基底面の長軸径と基底面間の厚みとの比率(長軸径/厚み)は、1〜9が好適である。この長軸径と厚みとの比率の上限値としてより好適なのは、7である。なお、上記ミラー・ブラベー指数において、「1バー」は、「−1」と表示した。
【0019】
このように、本発明の複合化金属水酸化物が、外周を囲む6つの面が、{10−11}に属する角錘面であることは、つぎのことからわかる。すなわち、本発明の複合化金属水酸化物の結晶を、c軸方向から走査型電子顕微鏡で観察すると、この結晶は、c軸を回転軸とする3回回転対称を呈している。また、粉末X線回折による格子定数の測定値を用いた(10−11)面と{10−11}の型面との面間角度の計算値が、走査型電子顕微鏡観察における面間角度の測定値とほぼ一致する。
【0020】
さらに、本発明の複合化金属水酸化物は、粉末X線回折における(110)面のピークの半価幅B110 と、(001)面のピークの半価幅B001 との比(B110 /B001 )が、1.4以上である。このことからも、c軸方向への結晶性が良いことと、厚みが成長していることが確認できる。すなわち、従来の水酸化マグネシウム等の結晶では、c軸方向への結晶が成長しておらず、(001)面のピークがブロードで半価幅B001 も大きくなる。したがって(B110 /B001 )の価は、小さくなる。これに対し、本発明の複合化金属水酸化物では、c軸方向の結晶性が良いために、(001)面のピークが鋭く、細くなり、半価幅B001 も小さくなる。したがって(B110 /B001 )の価が大きくなるのである。
【0021】
本発明者らは、安全性,耐半田性,耐湿信頼性および難燃性に優れるとともに、流動性にも優れた半導体封止用樹脂組成物を得るために一連の研究を行った。この研究を行うに際して、まず、前記複合化金属水酸化物含有の半導体封止用樹脂組成物を用いた際の流動性の低下原因を突き止めるべく研究を重ねた。その結果、上記流動性の低下が複合化金属水酸化物の結晶形状等に起因するものであることを突き止めた。すなわち、通常、複合化金属水酸化物の結晶形状は、基本的に六角板状あるいは鱗片状のような平板形状であり、このような結晶形状を有する複合化金属水酸化物を含有した樹脂組成物を用いてのトランスファー成形のような封止工程においては流動性が著しく低下し、その結果、金ワイヤーの変形等が発生するという知見を得た。そして、この知見に基づき上記流動性の低下の抑制を目的にさらに研究を行った。その結果、上記複合化金属水酸化物として、従来のような六角板状あるいは鱗片状のような平板形状を有するものではなく、縦,横とともに厚み方向への結晶成長の大きい多面体の複合化金属水酸化物を特定量用いると、樹脂組成物の流動性の低下がある程度抑制されることを突き止めた。そして、より一層優れた流動性の低下抑制を図る目的でさらなる研究を行った結果、上記多面体の複合化金属水酸化物の使用において、特に前記粒度分布を有する、細かな粒径の複合化金属水酸化物を用いることにより、非常に優れた流動性の低下抑制がなされ、トランスファー成形時等において問題が生じず、成形性の向上が図れることを見出し本発明に到達した。
【0022】
さらに、上記結晶形状を有する特殊な複合化金属水酸化物の最大粒径、球形度および比表面積がそれぞれ特定範囲のものである場合には、優れた難燃効果とともにその流動性の低下がより一層抑制されてさらなる成形性の向上が実現する。
【0023】
また、上記複合化金属水酸化物のアスペクト比が1〜8である場合には、樹脂組成物の粘度の低下効果が発揮されて、さらなる成形性の向上が実現する。そして、上記アスペクト比は1〜8の範囲のなかでも、好適には1〜7である。
【0024】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態を詳しく説明する。
【0025】
本発明に係る半導体封止用樹脂組成物は、熱硬化性樹脂(イ成分)と、硬化剤(ロ成分)と、特定の粒度分布を有する多面体形状の複合化金属水酸化物(ハ成分)を用いて得られるものであり、通常、粉末状あるいはこれを打錠したタブレット状になっている。または、樹脂組成物を溶融混練した後、略円柱状等の顆粒体に成形した顆粒状、さらにシート状に成形したシート状の封止材料となっている。
【0026】
上記熱硬化性樹脂(イ成分)としては、エポキシ樹脂,ポリマレイミド樹脂,不飽和ポリエステル樹脂,フェノール樹脂等があげられる。特に、本発明においてはエポキシ樹脂,ポリマレイミド樹脂を用いることが好ましい。
【0027】
上記エポキシ樹脂としては、特に限定するものではなく従来公知のものが用いられる。例えば、ビスフェノールA型,フェノールノボラック型,クレゾールノボラック型,ビフェニル型等があげられる。
【0028】
そして、上記エポキシ樹脂のうちビフェニル型エポキシ樹脂は、下記の一般式(2)で表される。
【0029】
【化3】
【0030】
上記一般式(2)中のR1 〜R4 で表される、−H(水素)または炭素数1〜5のアルキル基のうち、上記アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、sec−ブチル基、tert−ブチル基等の直鎖状または分岐状の低級アルキル基があげられ、特にメチル基が好ましく、上記R1 〜R4 は互いに同一であっても異なっていてもよい。なかでも、低吸湿性および反応性という観点から、上記R1 〜R4 が全てメチル基である下記の式(3)で表される構造のビフェニル型エポキシ樹脂を用いることが特に好適である。
【0031】
【化4】
【0032】
また、上記ポリマレイミド樹脂としては、特に限定するものではなく従来公知のものが用いられ、1分子中に2個以上のマレイミド基を有するものである。例えば、N,N′−4,4′−ジフェニルメタンビスマレイミド、2,2−ビス−〔4−(4−マレイミドフェノキシ)フェニル〕プロパン等があげられる。
【0033】
上記熱硬化性樹脂(イ成分)とともに用いられる硬化剤(ロ成分)としては、例えば、フェノール樹脂,酸無水物,アミン化合物等従来公知のものが用いられる。そして、上記熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いる場合、フェノール樹脂が好適に用いられる。上記フェノール樹脂としては、フェノールノボラック、クレゾールノボラック、ビスフェノールA型ノボラック、ナフトールノボラックおよびフェノールアラルキル樹脂等があげられる。そして、上記エポキシ樹脂としてビフェニル型エポキシ樹脂を用いる場合には、その硬化剤としてフェノールアラルキル樹脂を用いることが好ましい。
【0034】
また、熱硬化性樹脂としてポリマレイミド樹脂を用いる際の硬化剤としては、特に限定するものではなく従来公知のものが用いられる。例えば、上記エポキシ樹脂用硬化剤をハロゲン化アリルとアルカリの存在下で反応させて得られるアルケニルフェノール類やアミン類があげられる。
【0035】
そして、上記熱硬化性樹脂(イ成分)がエポキシ樹脂であり、上記硬化剤(ロ成分)がフェノール樹脂である場合の両者の含有割合は、上記エポキシ樹脂中のエポキシ基1当量当たり、フェノール樹脂中の水酸基が0.7〜1.3当量となるように設定することが好ましく、なかでも0.9〜1.1当量となるよう設定することが特に好ましい。
【0036】
上記熱硬化性樹脂(イ成分)および硬化剤(ロ成分)とともに用いられる特定の粒度分布を有する複合化金属水酸化物(ハ成分)は、下記の一般式(1)で表され、かつ結晶形状が多面体形状を有するものである。
【0037】
【化5】
m(Ma Ob )・n(Qd Oe )・cH2 O ・・・(1)
〔上記式(1)において、MとQは互いに異なる金属元素であり、Qは、周期律表のIVa,Va,VIa, VIIa,VIII,Ib,IIbから選ばれた族に属する金属元素である。また、m,n,a,b,c,d,eは正数であって、互いに同一の値であってもよいし、異なる値であってもよい。〕
【0038】
上記一般式(1)で表される複合化金属水酸化物に関して、式(1)中の金属元素を示すMとしては、Al,Mg,Ca,Ni,Co,Sn,Zn,Cu,Fe,Ti等があげられる。
【0039】
また、上記一般式(1)で表される複合化金属酸化物中のもう一つの金属元素を示すQは、周期律表のIVa,Va,VIa, VIIa,VIII,Ib,IIbから選ばれた族に属する金属である。例えば、鉄,コバルト,ニッケル,パラジウム,銅,亜鉛等があげられ、単独でもしくは2種以上併せて選択される。
【0040】
このような結晶形状が多面体形状を有する複合化金属水酸化物は、例えば、複合化金属水酸化物の製造工程における各種条件等を制御することにより、縦,横とともに厚み方向(c軸方向)への結晶成長が大きい、所望の多面体形状、例えば、略12面体、略8面体、略4面体等の形状を有する複合化金属水酸化物を得ることができる。
【0041】
本発明に用いられる多面体形状の複合化金属水酸化物は、その一例として結晶外形が略8面体の多面体構造を示し、アスペクト比が1〜8程度、好ましくは1〜7、特に好ましくは1〜4に調整されたもので、例えば、式(1)中の、M=Mg,Q=Znの場合について述べると、つぎのようにして作製することができる。すなわち、まず、水酸化マグネシウム水溶液に硝酸亜鉛化合物を添加し、原料となる部分複合化金属水酸化物を作製する。ついで、この原料を、800〜1500℃の範囲で、より好ましくは1000〜1300℃の範囲で焼成することにより、複合化金属酸化物を作製する。この複合化金属酸化物は、m(MgO)・n(ZnO)の組成で示されるが、さらにカルボン酸、カルボン酸の金属塩、無機酸および無機酸の金属塩からなる群から選ばれた少なくとも一種を上記複合化金属酸化物に対して約0.1〜6mol%共存する水媒体中の系で強攪拌しながら40℃以上の温度で水和反応させることにより、m(MgO)・n(ZnO)・cH2 Oで示される、本発明の多面体形状を有する複合化金属水酸化物を作製することができる。
【0042】
上記製法において、原料としては、上述した方法で得られる部分複合化金属水酸化物だけでなく、例えば、共沈法によって得られる複合化金属水酸化物,水酸化マグネシウムとZnの混合物,酸化マグネシウムとZn酸化物の混合物,炭酸マグネシウムとZn炭酸塩との混合物等も用いることができる。また、水和反応時の攪拌は、均一性や分散性の向上、カルボン酸、カルボン酸の金属塩、無機酸および無機酸の金属塩からなる群から選ばれた少なくとも一種との接触効率向上等のため、強攪拌が好ましく、さらに強力な高剪断攪拌であればなお好ましい。このような攪拌は、例えば、回転羽根式の攪拌機において、回転羽根の周速を5m/s以上として行うのが好ましい。
【0043】
上記カルボン酸としては、特に限定されるものではないが、好ましくはモノカルボン酸、オキシカルボン酸(オキシ酸)等があげられる。上記モノカルボン酸としては、例えば、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、酪酸、吉草酸、カプロン酸、アクリル酸、クロトン酸等があげられ、上記オキシカルボン酸(オキシ酸)としては、例えば、グリコール酸、乳酸、ヒドロアクリル酸、α−オキシ酪酸、グリセリン酸、サリチル酸、安息香酸、没食子酸等があげられる。また、上記カルボン酸の金属塩としては、特に限定されるものではないが、好ましくは酢酸マグネシウム、酢酸亜鉛等があげられる。そして、上記無機酸としては、特に限定されるものではないが、好ましくは硝酸、塩酸等があげられる。また、上記無機酸の金属塩としては、特に限定されるものではないが、好ましくは硝酸マグネシウム、硝酸亜鉛等があげられる。
【0044】
上記多面体形状を有する複合化金属水酸化物の具体的な代表例としては、sMgO・(1−s)NiO・cH2 O〔0<s<1、0<c≦1〕、sMgO・(1−s)ZnO・cH2 O〔0<s<1、0<c≦1〕、sAl2 O3 ・(1−s)Fe2 O3 ・cH2 O〔0<s<1、0<c≦3〕等があげられる。なかでも、酸化マグネシウム・酸化ニッケルの水和物、酸化マグネシウム・酸化亜鉛の水和物が特に好ましく用いられる。
【0045】
上記多面体形状を有する複合化金属水酸化物(ハ成分)は、下記に示す粒度分布(A)〜(C)を有していなければならない。なお、下記に示す粒度分布の測定には、レーザー式粒度測定機を使用する。
(A)粒径1.3μm未満のものが10〜35重量%。
(B)粒径1.3〜2.0μm未満のものが50〜65重量%。
(C)粒径2.0μm以上のものが10〜30重量%。
【0046】
上記粒度分布において、粒度分布(A)の粒径1.3μm未満のものが10重量%未満の場合は、目的である難燃性の効果が乏しくなり、逆に35重量%を超え多くなると、流動性が損なわれるからである。また、粒度分布(C)の2.0μm以上のものが10重量%未満では、流動性が低下し、逆に30重量%を超え多くなると、難燃性の効果が乏しくなるからである。なお、上記粒度分布(A)における粒径の通常の下限値は0.1μmであり、上記粒度分布(C)における粒径の通常の上限値は15μmである。
【0047】
そして、上記(ハ)成分である多面体形状の複合化金属水酸化物では、上記粒度分布(A)〜(C)に加えて、その最大粒径が10μm以下であることが好ましい。特に好ましくは最大粒径が6μm以下である。すなわち、最大粒径が10μmを超えると、所望の難燃性を有するために多くの量を必要とするようになる傾向がみられるからである。
【0048】
そして、上記(ハ)成分である多面体形状の複合化金属水酸化物の比表面積が2.0〜4.0m2 /gの範囲であることが好ましい。なお、上記(ハ)成分の比表面積の測定は、BET吸着法により測定される。
【0049】
また、上記多面体形状を有する複合化金属水酸化物(ハ成分)のアスペクト比は、通常、1〜8、好ましくは1〜7、特に好ましくは1〜4である。ここでいうアスペクト比とは、複合化金属水酸化物の長径と短径との比で表したものである。すなわち、アスペクト比が8を超えると、この複合化金属水酸化物を含有する樹脂組成物が溶融したときの粘度低下に対する効果が乏しくなる。そして、本発明の半導体封止用樹脂組成物の構成成分として用いられる場合には、一般的に、アスペクト比が1〜4のものが用いられる。
【0050】
なお、本発明においては、上記(ハ)成分である多面体形状の複合化金属水酸化物とともに従来の薄平板形状の複合化金属水酸化物を併用することができる。そして、本発明の半導体封止用樹脂組成物が溶融したときの粘度低下および流動性の効果の発現という点から、用いられる複合化金属水酸化物全体(従来の薄平板形状を含む)中の、多面体形状の複合化金属水酸化物の占める割合を30〜100重量%の範囲に設定することが好ましい。すなわち、多面体形状の複合化金属水酸化物の占める割合が30重量%未満では樹脂組成物の粘度低下の効果および流動性の向上効果が乏しくなる。
【0051】
上記多面体形状を有する複合化金属水酸化物(ハ成分)を含む複合化金属水酸化物の含有量は、樹脂組成物全体の1〜30重量%に設定される。特には2〜28重量%の範囲に設定することが好ましく、この含有量の範囲内でその優れた難燃化効果を発揮することができる。すなわち、上記複合化金属水酸化物が1重量%未満では難燃化効果が不充分となり、30重量%を超えると、樹脂組成物硬化体中の塩素イオン濃度が高くなるということから耐湿信頼性が低下するからである。
【0052】
そして、本発明に係る半導体封止用樹脂組成物には、上記イ〜ハ成分、および場合により、従来の薄平板形状の複合化金属水酸化物とともに無機質充填剤を用いることができる。上記無機質充填剤としては、特に限定するものではなく従来公知の各種充填剤があげられる。例えば、石英ガラス粉末、タルク、シリカ粉末、アルミナ粉末、炭酸カルシウム、窒化ホウ素、窒化ケイ素およびカーボンブラック粉末等があげられる。これらは単独でもしくは2種以上併せて用いられる。そして、上記無機質充填剤として、得られる硬化物の線膨張係数を低減できるという点からシリカ粉末を用いることが好ましい。なかでも、シリカ粉末として溶融シリカ粉末、とりわけ球状溶融シリカ粉末を用いることが樹脂組成物の良好な流動性という点から特に好ましい。また、上記無機質充填剤において、その平均粒径が10〜70μmの範囲であることが好ましく、より好ましくは10〜50μmである。すなわち、先に述べたように、複合化金属水酸化物が前記粒度分布(A)〜(C)を有するとともに、無機質充填剤の平均粒径が上記範囲内であると、樹脂組成物の良好な流動性が得られる。また、上記シリカ粉末としては、場合によりシリカ粉末を摩砕処理してなる摩砕シリカ粉末を用いることもできる。
【0053】
上記無機質充填剤の含有量に関しては、この無機質充填剤に複合化金属水酸化物(多面体形状を有する複合化金属水酸化物および場合により使用される従来の薄平板形状の複合化金属水酸化物)を加算した無機物全体の合計量が、半導体封止用樹脂組成物全体の60〜92重量%となるよう設定することが好ましい。特に好ましくは70〜90重量%である。すなわち、無機物全体量が60重量%を下回ると難燃性が低下する傾向がみられるからである。
【0054】
さらに、前記多面体形状の複合化金属水酸化物(ハ成分)を含む複合化金属水酸化物(x)と、上記無機質充填剤(y)とを併用する場合の併用比率は、重量比(x/y)で、x/y=0.01/1〜1/1の範囲に設定することが好ましく、より好ましくはx/y=0.01/1〜0.75/1である。
【0055】
そして、本発明の半導体封止用樹脂組成物としては、下記の方法に従って抽出された抽出水中の塩素イオン濃度が上記樹脂組成物の硬化体1gあたり200μg以下であることが好ましい。すなわち、熱硬化性樹脂組成物硬化体の粉体化物5gと蒸留水50ccを専用の抽出容器に入れ、この容器を160℃の乾燥機内に20時間放置して抽出水(pH6.0〜8.0)を抽出する。そして、上記抽出水をイオンクロマト分析して塩素イオン量(α)を測定する。この塩素イオン量(α)は樹脂組成物硬化体中のイオン量を10倍に希釈した値であるため、下記に示す式により樹脂組成物硬化体1gあたりの塩素イオン量を算出する。なお、上記抽出水のpHは6.0〜8.0の範囲が好ましい。さらに、上記熱硬化性樹脂組成物硬化体の作製にあたって、例えば、エポキシ樹脂組成物硬化体の場合、その硬化体成形条件は、トランスファー成形(条件:175℃×2分間)し、175℃×5時間の後硬化に設定されることが好適である。
【0056】
【数1】
樹脂組成物硬化体1gあたりの塩素イオン量(μg)=α×(50/5)
【0057】
すなわち、樹脂組成物硬化体の抽出水中に含有される塩素イオン濃度が200μgを超えて高いと、半導体素子,リードフレーム等の腐食が発生したり、耐湿性が劣化する傾向がみられるようになる。
【0058】
なお、本発明に係る半導体封止用樹脂組成物には、上記イ〜ハ成分および無機質充填剤以外に、硬化促進剤、顔料、離型剤、表面処理剤、可撓性付与剤等を必要に応じて適宜に添加することができる。
【0059】
上記硬化促進剤としては、従来公知のもの、例えば、1,8−ジアザ−ビシクロ(5,4,0)ウンデセン−7、トリエチレンジアミン等の三級アミノ類、2−メチルイミダゾール等のイミダゾール類、トリフェニルホスフィン、テトラフェニルホスホニウムテトラフェニルボレート等のリン系硬化促進剤等があげられる。
【0060】
上記顔料としては、カーボンブラック、酸化チタン等があげられる。また、上記離型剤としては、ポリエチレンワックス、パラフィンや脂肪酸エステル、脂肪酸塩等があげられる。
【0061】
さらに、上記表面処理剤としては、シランカップリング剤等のカップリング剤があげれら、上記可撓性付与剤としてはシリコーン樹脂やブタジエン−アクリロニトリルゴム等があげられる。
【0062】
また、本発明に係る半導体封止用樹脂組成物では、上記各成分に加えてさらに有機系難燃剤あるいは赤リン系難燃剤を併用すると、上記多面体形状を有する複合化金属水酸化物(ハ成分)を含有する複合化金属水酸化物の使用量を低減させることができ好ましい。上記有機系難燃剤としては、含窒素有機化合物、含リン有機化合物、ホスファゼン系化合物等があげられるが、特に含窒素有機化合物が好ましく用いられる。
【0063】
上記含窒素有機化合物としては、例えば、メラミン誘導体、シアヌレート誘導体、イソシアヌレート誘導体等の複素環骨格を有する化合物があげられる。これら有機系難燃剤は単独でもしくは2種以上併せて用いられる。
【0064】
上記有機系難燃剤は、前記複合化金属水酸化物と予め機械的に混合した後配合してもよいし、有機系難燃剤を溶剤に溶解してこれに前記複合化金属水酸化物を添加して脱溶剤し表面処理したものを用いてもよい。
【0065】
そして、上記有機系難燃剤の含有量は、前記複合化金属水酸化物の使用量(多面体形状の複合化金属水酸化物と場合により使用される従来の薄平板形状の複合化金属水酸化物の合計量)の1〜10重量%の範囲に設定することが好ましい。特に好ましくは1〜5重量%である。
【0066】
一方、上記赤リン系難燃剤としては、赤リン粉末、あるいはこの赤リン粉末表面を各種有機物,無機物で保護コートした赤リン粉末をあげることができる。そして、上記赤リン系難燃剤の含有量は、上記有機系難燃剤の場合と同様、前記複合化金属水酸化物の使用量(多面体形状の複合化金属水酸化物と場合により使用される従来の薄平板形状の複合化金属水酸化物の合計量)の1〜10重量%の範囲に設定することが好ましく、特に好ましくは1〜5重量%である。
【0067】
そして、本発明に係る半導体封止用樹脂組成物において、前記(イ)〜(ハ)成分を含む各成分の好適な組み合わせは、つぎのとおりである。すなわち、熱硬化性樹脂(イ成分)としては、エポキシ樹脂、なかでも、流動性が良好であるという点からビフェニル系エポキシ樹脂が好ましく、また硬化剤(ロ成分)としては、その流動性という観点からフェノールアラルキル樹脂が好ましい。そして、前記特定の粒度分布を有する多面体形状の複合化金属水酸化物(ハ成分)とともに、無機質充填剤として溶融シリカ粉末を用いることが好ましい。さらに、これらに加えて、上記のような複合化金属水酸化物を用いた場合、離型性が低下する傾向がみられることから、ワックス類、特に酸価30以上(通常の上限値は200)という高酸価のポリエチレン系ワックスまたはエステル系ワックスを用いることが好ましい。
【0068】
本発明に係る半導体封止用樹脂組成物は、例えばつぎのようにして製造することができる。すなわち、熱硬化性樹脂(イ成分),硬化剤(ロ成分),特定の粒度分布を有する多面体形状の複合化金属水酸化物(ハ成分)および無機質充填剤ならびに必要に応じて他の添加剤を所定の割合で配合する。つぎに、この混合物をミキシングロール機等の混練機を用いて加熱状態で溶融混練し、これを室温に冷却する。そして、公知の手段によって粉砕し、必要に応じて打錠するという一連の工程によって目的とする半導体封止用樹脂組成物を製造することができる。
【0069】
あるいは、上記半導体封止用樹脂組成物の混合物を混練機に導入して溶融状態で混練した後、これを略円柱状の顆粒体に連続的に成形するという一連の工程によって顆粒状の半導体封止用樹脂組成物を製造することができる。
【0070】
さらに、上記半導体封止用樹脂組成物の混合物をパレット上に受け入れし、これを冷却後、プレス圧延,ロール圧延,あるいは溶媒を混合したものを塗工してシート化する等の方法によりシート状の半導体封止用樹脂組成物を製造することができる。
【0071】
このようにして得られる半導体封止用樹脂組成物(粉末状,タブレット状,顆粒状等)を用いての半導体素子の封止方法は、特に限定するものではなく、通常のトランスファー成形等の公知の成形方法によって行うことができる。
【0072】
また、上記シート状の半導体封止用樹脂組成物を用いて、例えば、つぎのようにしてフリップチップ実装による半導体装置を製造することができる。すなわち、上記シート状半導体封止用樹脂組成物を、接合用バンプを備えた半導体素子の電極面側に、あるいは、回路基板のバンプ接合部側に配置し、上記半導体素子と回路基板とをバンプ接合するとともに両者を樹脂封止による接着封止を行うことによりフリップチップ実装して半導体装置を製造することができる。
【0073】
つぎに、実施例について比較例と併せて説明する。
【0074】
まず、下記に示す各材料を準備した。
【0075】
〔エポキシ樹脂〕
前記式(3)で表されるビフェニル系エポキシ樹脂〔式(2)中のR1 〜R4 が全てメチル基:エポキシ当量195〕
【0076】
〔フェノール樹脂〕
フェノールアラルキル樹脂(水酸基当量174)
【0077】
〔シリカ粉末〕
平均粒径30μmの溶融シリカ粉末
【0078】
〔リン系硬化促進剤〕
トリフェニルホスフィン
【0079】
〔エステル系ワックス〕
カルナバワックス(酸価2〜10)
【0080】
〔オレフィン系ワックス〕
ポリエチレン系ワックス(酸価160)
【0081】
つぎに、実施例に先立って下記の表1および表2に示す各種複合化金属水酸化物を準備した。なお、下記の表1および表2中の複合化金属水酸化物は、先に述べた多面体形状の複合化金属水酸化物の製造方法に準じて作製した。
【0082】
【表1】
【0083】
【表2】
【0084】
【実施例1〜9、比較例1〜4】
ついで、下記の表3〜表5に示す各成分を同表に示す割合で配合し、ミキシングロール機(温度100℃)で3分間溶融混練を行い、冷却固化した後粉砕して目的とする粉末状エポキシ樹脂組成物を得た。
【0085】
【表3】
【0086】
【表4】
【0087】
【表5】
【0088】
このようにして得られた実施例および比較例のエポキシ樹脂組成物を用い、その硬化体の塩素イオン濃度を測定した。なお、塩素イオン濃度の測定方法は、前述の方法に従い、上記硬化体の成形条件は、175℃×2分間、後硬化175℃×5時間に設定した。さらに、各エポキシ樹脂組成物を用いて厚み1/16インチの試験片を成形し、UL94 V−0規格の方法に従って難燃性を評価した。なお、合格とは94−V0合格を意味する。これらの測定・評価結果を後記の表6〜表8に示す。
【0089】
つぎに、各エポキシ樹脂組成物を用い、下記の方法に従ってスパイラルフロー値およびフローテスター粘度を測定した。
【0090】
〔スパイラルフロー値〕
スパイラルフロー測定用金型を用い、175±5℃にてEMMI 1−66に準じてスパイラルフロー値を測定した。
【0091】
〔フローテスター粘度〕
上記各エポキシ樹脂組成物を2g精秤し、タブレット状に成形した。そして、これを高化式フローテスターのポット内に入れ、10kgの荷重をかけて測定した。溶融したエポキシ樹脂組成物がダイスの穴(直径1.0mm×10mm)を通過して押し出されるときのピストンの移動速度からサンプルの溶融粘度を求めた。
【0092】
また、上記実施例および比較例で得られたエポキシ樹脂組成物を用い、半導体素子をトランスファー成形(条件:175℃×2分)し、175℃×5時間で後硬化することにより半導体装置を得た。この半導体装置は、80ピンQFP(クワッドフラットパッケージ、サイズ:20×14×2mm)であり、ダイパッドサイズは8×8mmである。
【0093】
このようにして得られた半導体装置について、まず、軟X線装置により、パッケージ内部の透過画像を観察することにより、金ワイヤーの変形等の不良の発生を測定した。測定した結果、金ワイヤーの変形が確認されたものを×、金ワイヤーの変形が確認されず良好なパッケージが得られたものを○として、下記の表6〜表8に示す。
【0094】
【表6】
【0095】
【表7】
【0096】
【表8】
【0097】
上記表6〜表8から、全ての実施例は高い難燃性レベルを有するとともに、スパイラルフロー値が高く、かつフローテスター粘度が低いことから流動性に優れたものであることが明らかである。また、金ワイヤーの変形も生じなかったことから良好な成形性を有しているといえる。
【0098】
一方、比較例1,3,4については、難燃性レベルに関しては問題はなかったが、実施例品と比べてスパイラルフロー値が低く、かつフローテスター粘度が著しく高いことから流動性に劣っていることがわかる。このことは、金ワイヤーの変形が確認されていることからも明らかである。また、比較例2については、流動性に関しては問題はなかったものの、難燃性レベルに劣っていることがわかる。
【0099】
さらに、前記実施例1における、エポキシ樹脂成分を、前記式(2)中のR1 〜R4 が全て水素となるビフェニル型エポキシ樹脂と、前記式(2)中のR1 〜R4 が全てメチル基となるビフェニル型エポキシ樹脂を重量比率で1:1となるように配合した混合系のエポキシ樹脂に代えた。それ以外は実施例1と同様の配合割合に設定してエポキシ樹脂組成物を作製した。このエポキシ樹脂組成物を用いて、前記と同様の測定・評価を行った結果、上記実施例と略同様の良好な結果が得られた。
【0100】
【発明の効果】
以上のように、本発明は、特定の粒度分布を有した前記一般式(1)で表される多面体形状の複合化金属水酸化物(ハ成分)を特定量含有する半導体封止用樹脂組成物である。さらに、従来のような平板状の結晶形状ではなく前記特殊な多面体の結晶形状を有するとともに特定の粒度分布を有するため、流動性に優れ、半導体パッケージの封止時に金ワイヤーの変形等の問題が生じず、成形性が向上する。
【0101】
さらに、上記結晶形状を有する特殊な複合化金属水酸化物の最大粒径、球形度および比表面積がそれぞれ特定範囲のものである場合には、優れた難燃効果とともにその流動性の低下がより一層抑制されてさらなる成形性の向上が実現する。
【0102】
したがって、本発明の半導体封止用樹脂組成物を用いて封止された半導体装置は、安全性に優れた難燃化技術、および半導体装置の信頼性が格段に向上したものであり、しかも、上記半導体封止用樹脂組成物を用いたトランスファー成形による半導体装置の製法、あるいは、シート状の半導体封止用樹脂組成物を用いてなる半導体装置の製法においてはその成形性においても優れており、半導体装置の中でも、特に薄型で大型化した半導体装置に対して特に有効であり産業上の利用価値は極めて高いものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明で用いられる多面体形状の複合化金属水酸化物の結晶形状の一例を示す走査型電子顕微鏡写真(倍率50000倍)である。
【図2】 従来の複合化金属水酸化物の結晶形状の一つである六角板状形状を示す斜視図である。
【図3】 従来の複合化金属水酸化物の外形を示す説明図であり、(a)は平面図、(b)は側面図である。
【図4】 本発明の複合化金属水酸化物の外形の一例を示す説明図であり、(a)は平面図、(b)は側面図である。
【図5】 本発明の複合化金属水酸化物の外形の他の例を示す説明図であり、(a)は平面図、(b)は側面図である。
Claims (21)
- 下記の(イ)〜(ハ)成分を含有する半導体封止用樹脂組成物であって、下記(ハ)成分が下記に示す粒度分布(A)〜(C)を有し、下記(ハ)成分の含有量が樹脂組成物全体の1〜30重量%の範囲に設定されていることを特徴とする半導体封止用樹脂組成物。
(イ)熱硬化性樹脂。
(ロ)硬化剤。
(ハ)下記の一般式(1)で表される多面体形状の複合化金属水酸化物。
(A)粒径1.3μm未満のものが10〜35重量%。
(B)粒径1.3〜2.0μm未満のものが50〜65重量%。
(C)粒径2.0μm以上のものが10〜30重量%。 - 上記(ハ)成分である複合化金属水酸化物の最大粒径が10μm以下である請求項1記載の半導体封止用樹脂組成物。
- 上記(ハ)成分である複合化金属水酸化物の比表面積が2.0〜4.0m2 /gである請求項1または2記載の半導体封止用樹脂組成物。
- 上記一般式(1)で表される複合化金属水酸化物中の金属元素を示すMが、アルミニウム,マグネシウム,カルシウム,ニッケル,コバルト,スズ,亜鉛,銅,鉄およびチタンからなる群から選ばれた少なくとも一つの金属である請求項1〜3のいずれか一項に記載の半導体封止用樹脂組成物。
- 上記一般式(1)で表される複合化金属水酸化物中の金属元素を示すQが、鉄,コバルト,ニッケル,パラジウム,銅および亜鉛からなる群から選ばれた少なくとも一つの金属である請求項1〜4のいずれか一項に記載の半導体封止用樹脂組成物。
- 上記一般式(1)で表される複合化金属水酸化物のアスペクト比が1〜8である請求項1〜5のいずれか一項に記載の半導体封止用樹脂組成物。
- 複合化金属水酸化物全体中の、上記一般式(1)で表される多面体形状を有する複合化金属水酸化物の占める割合が30〜100重量%の範囲である請求項1〜6のいずれか一項に記載の半導体封止用樹脂組成物。
- 上記一般式(1)で表される複合化金属水酸化物が、sMgO・(1−s)NiO・cH2 O〔0<s<1、0<c≦1〕である請求項1〜7のいずれか一項に記載の半導体封止用樹脂組成物。
- 上記一般式(1)で表される複合化金属水酸化物が、sMgO・(1−s)ZnO・cH2 O〔0<s<1、0<c≦1〕である請求項1〜7のいずれか一項に記載の半導体封止用樹脂組成物。
- 半導体封止用樹脂組成物硬化体の抽出液のpHが6.0〜8.0の範囲であって、かつ、その塩素イオン濃度が、樹脂組成物硬化体1gあたり200μg以下である請求項1〜9のいずれか一項に記載の半導体封止用樹脂組成物。
- 半導体封止用樹脂組成物の硬化体が、厚み1/16インチでのUL94燃焼試験において、V−0相当の難燃性を示すものである請求項1〜10のいずれか一項に記載の半導体封止用樹脂組成物。
- 上記(イ)成分である熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂である請求項1〜11のいずれか一項に記載の半導体封止用樹脂組成物。
- 上記(ロ)成分である硬化剤がフェノール樹脂である請求項1〜12のいずれか一項に記載の半導体封止用樹脂組成物。
- 無機質充填剤を含有してなる請求項1〜13のいずれか一項に記載の半導体封止用樹脂組成物。
- 上記(ハ)成分である多面体形状の複合化金属水酸化物を含有する複合化金属水酸化物と無機質充填剤の合計量が、半導体封止用樹脂組成物全体の60〜92重量%である請求項14記載の半導体封止用樹脂組成物。
- 上記(ハ)成分である多面体形状の複合化金属水酸化物を含有する複合化金属水酸化物と無機質充填剤の合計量が、半導体封止用樹脂組成物全体の70〜90重量%である請求項14記載の半導体封止用樹脂組成物。
- 上記無機質充填剤がシリカ粉末である請求項14〜16のいずれか一項に記載の半導体封止用樹脂組成物。
- 請求項1〜17のいずれか一項に記載の半導体封止用樹脂組成物であって、含窒素有機化合物を含有してなる請求項1〜17のいずれか一項に記載の半導体封止用樹脂組成物。
- 請求項1〜18のいずれか一項に記載の半導体封止用樹脂組成物を用いて半導体素子を封止してなる半導体装置。
- 請求項1〜18のいずれか一項に記載の半導体封止用樹脂組成物を用いトランスファー成形法により半導体素子を樹脂封止して半導体装置を製造することを特徴とする半導体装置の製法。
- 請求項1〜18のいずれか一項に記載の半導体封止用樹脂組成物からなるシート状封止材料を用いて半導体装置を製造することを特徴とする半導体装置の製法。
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